普光氣田高含硫氣井溢流壓井期間井筒超臨界相態(tài)特征

摘 要

摘要：針對(duì)超臨界流體狀態(tài)下烴類、硫化氫、二氧化碳的特性，結(jié)合p-T-ρ圖版和實(shí)際氣體狀態(tài)方程，以及普光氣田高含硫化氫、二氧化碳?xì)饩膶?shí)際情況，計(jì)算得出普光氣田烴類與硫化
摘要：針對(duì)超臨界流體狀態(tài)下烴類、硫化氫、二氧化碳的特性，結(jié)合p-T-ρ圖版和實(shí)際氣體狀態(tài)方程，以及普光氣田高含硫化氫、二氧化碳?xì)饩膶?shí)際情況，計(jì)算得出普光氣田烴類與硫化氫、二氧化碳構(gòu)成的混合物的相態(tài)圖；建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，模擬了高酸性高壓氣井環(huán)空溫度、偏差因子、壓力和體積膨脹情況。從模擬計(jì)算結(jié)果可以看出：高含硫氣體在溢流壓井期間，在井筒較長(zhǎng)井段處于超臨界狀態(tài)，遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)附近區(qū)域，從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)向低壓氣態(tài)時(shí)體積較明顯的膨脹但不劇烈，不會(huì)出現(xiàn)在超臨界點(diǎn)附近處特有的瞬時(shí)體積急劇膨脹現(xiàn)象；普光氣田氣井的酸性氣體運(yùn)移至距地面12%左右(即1120m)井深時(shí)，有體積膨脹趨勢(shì)，運(yùn)移至距地面10%左右(即560m)井深時(shí)有較明顯的膨脹特征。
關(guān)鍵詞：酸性氣體；相態(tài)；相變；臨界點(diǎn)；溫度；偏離系數(shù)；井控；普光氣田
0 引言
    對(duì)于高含硫氣井，安全井控是重中之重的任務(wù)。然而，由于酸性氣體在井筒運(yùn)移期間存在超臨界現(xiàn)象，在井筒能否發(fā)生強(qiáng)烈的體積膨脹，引起與常規(guī)氣井不同的溢流井噴，人們對(duì)此格外關(guān)注[1～7]。筆者運(yùn)用超臨界流體相變理論，結(jié)合普光氣田情況，對(duì)高含硫氣井溢流壓井期間井筒超臨界相態(tài)特征進(jìn)行了一些研究。
1 含酸性氣體超臨界特征
1.1 含硫化氫和二氧化碳的酸性天然氣臨界參數(shù)計(jì)算方法
   穩(wěn)定的純物質(zhì)及由其組成的定組成混合物具有固有的臨界點(diǎn)(即臨界壓力pc、臨界溫度Tc、臨界密度ρc)?；旌蠚怏w組分的臨界參數(shù)的計(jì)算方法如下[8]：
天然氣的臨界參數(shù)采用擬臨界參數(shù)，采用Kay’s混合規(guī)則，其定義為：
 
式中：yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；ppc、Tpc分別為混合物的擬臨界壓力和擬臨界溫度；pci、Tci分別為組分i的臨界壓力和臨界溫度。
    Wichert & Aziz提出了對(duì)含硫化氫和二氧化碳的酸性天然氣修正方法。所以運(yùn)用以上方法計(jì)算酸性天然氣的臨界參數(shù)，需對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。具體修正形式如下：
   ε=[120(A0.9-A1.6)+15(B0.5-B4)]/1.8   (3)
T′pc=Tpc-ε    (4)
 
式中：A為天然氣中硫化氫和二氧化碳的總摩爾分?jǐn)?shù)；B為天然氣中硫化氫的摩爾分?jǐn)?shù)；ppc、Tpc分別為采用Kay’s混合規(guī)則計(jì)算的擬臨界壓力和擬臨界溫度；p′pc、T′pc分別為經(jīng)過(guò)校正后的擬臨界壓力和擬臨界溫度。
1.2 含酸性氣體臨界點(diǎn)附近流體相態(tài)變化特征
    臨界流體是指溫度、壓力高于臨界溫度(Tc)和臨界壓力(pc)的流體。在臨界點(diǎn)附近，壓力的微小變化可導(dǎo)致密度的巨大變化[9]。如圖1、2。圖1中，C點(diǎn)為流體臨界點(diǎn)，虛線所標(biāo)注的數(shù)值為流體密度。由圖1可以看出，在C點(diǎn)附近小的范圍內(nèi)，流體的密度差異巨大，也即流體密度差異很大的數(shù)值線延伸并聚集在臨界點(diǎn)C附近。在此點(diǎn)，較小的溫度或壓力發(fā)生變化，都會(huì)引起流體密度或體積的巨大變化。純二氧化碳的臨界溫度是31.06℃，臨界壓力是7.39MPa，如圖2描述了純二氧化碳在40℃下的密度隨壓力的變化關(guān)系。溫度40℃恒定的條件下，壓力從10MPa降到5MPa，在臨界壓力附近變化，密度數(shù)值從630kg/m3降到120kg/m3，變化劇烈；可見(jiàn)在臨界點(diǎn)附近，密度有很寬的變化范圍；溫度或壓力微調(diào)可使密度顯著變化。

1.3 含酸性氣體超臨界區(qū)流體相態(tài)變化特征
    超臨界流體可以得到處于氣態(tài)和液態(tài)之間的任一密度，超臨界流體具有液體對(duì)溶質(zhì)有比較大溶解度的特點(diǎn)，又具有氣體易于擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)的特性(見(jiàn)表1)，因而有較好的流動(dòng)性、滲透性和傳遞性能。
表1 氣體、液體和超臨界流體性質(zhì)表
流體性質(zhì)
氣體
超臨界流體
液體
0.1Mpa，15～30℃
Tc，pc
Tc，4pc
15～30℃
密度/g·mL-1
(0.6～2)×10-3
0.2～0.5
0.4～0.9
0.6～1.6
黏度/g·(cm·s)-1
(1～3)×10-4
(1～3)×10-4
(3～9)×10-4
(0.2～3) ×10-2
擴(kuò)散系數(shù)/cm2·s-1
0.1～0.4
0.7×10-3
0.2×10-3
(0.2～3) ×10-5
在臨界點(diǎn)附近，溫度、壓力微調(diào)可使超臨界流體的性質(zhì)顯著變化，但遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)附近區(qū)域時(shí)，超臨界流體的性質(zhì)變化并不明顯。如圖1的二氧化碳密度隨壓力與溫度的變化相圖，等密度線在臨界點(diǎn)附近很密集，而在遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)的區(qū)域比較分散，遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)時(shí)，不同密度之間的過(guò)渡需要較大的壓差或溫度差。如圖2，溫度40℃恒定的條件下，而當(dāng)壓力從50MPa降到20MPa，即在稍微遠(yuǎn)離臨界壓力點(diǎn)附近的區(qū)域變化，密度僅從965kg/m3降到825kg/m3?？梢?jiàn)當(dāng)流體溫度壓力都大大超過(guò)臨界點(diǎn)，流體密度與溫度及壓力存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，但不存在溫度壓力較小范圍變化會(huì)引起流體密度劇烈變化現(xiàn)象。
1.4 鉆井液溢流井筒環(huán)空超臨界流體相態(tài)變化規(guī)律
    高含硫氣井氣侵環(huán)空常見(jiàn)的流體一般有甲烷、二氧化碳、硫化氫、乙烷等，鉆井液密度一般在1.2g/cm3以上，所以當(dāng)井深大于2000m時(shí)，根據(jù)甲烷、二氧化碳、硫化氫、乙烷等流體的臨界數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)，氣侵環(huán)空的流體都處于臨界狀態(tài)。氣侵時(shí)，超臨界流體以微小氣泡吸附在鉆井液中顆粒的表面，隨著鉆井液的循環(huán)上返。超臨界流體和氣體一樣是可壓縮的，在上升的過(guò)程中由于所處的壓力不斷減小，體積就會(huì)逐漸膨脹增大。
    環(huán)空流體在井筒相態(tài)變化有3種情況，兩種轉(zhuǎn)變方式。
表2 井筒常見(jiàn)超臨界流體的臨界數(shù)據(jù)表
物質(zhì)
沸點(diǎn)/℃
臨界溫度/℃
臨界壓力/MPa
二氧化碳
-78.5
31.06
7.39
硫化氫
-88.0
100.20
8.94
甲烷
-164.0
-83.00
4.60
乙烷
-88.0
32.40
4.89
1) 當(dāng)環(huán)空流體臨界溫度低于井筒溫度并且臨界點(diǎn)在井筒壓力和溫度曲線上面時(shí)(如圖3中的甲烷)，在井筒運(yùn)移過(guò)程中隨著壓力和溫度的降低，當(dāng)井筒壓力低于流體臨界壓力時(shí)，流體從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，但井筒溫度壓力條件不滿足在臨界點(diǎn)附近體積劇變的條件，根據(jù)實(shí)際氣體的狀態(tài)方程，從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)體積會(huì)有所膨脹，但不會(huì)出現(xiàn)劇烈膨脹的現(xiàn)象(如圖3中的甲烷)。
 

   2) 當(dāng)環(huán)空流體臨界溫度處于井筒溫度范圍內(nèi)并且臨界點(diǎn)在井筒壓力和溫度曲線上面時(shí)(如圖3中的二氧化碳)，在井筒運(yùn)移過(guò)程中隨著壓力和溫度的降低，當(dāng)井筒壓力低于流體臨界壓力時(shí)，流體從超I臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。井筒溫度壓力條件滿足臨界點(diǎn)附近時(shí)會(huì)發(fā).生體積劇變(如圖3中的二氧化碳)。
   3) 當(dāng)環(huán)空流體臨界溫度處于井筒溫度范圍內(nèi)并且臨界點(diǎn)在井筒壓力和溫度曲線下面時(shí)(如圖3中的硫化氫)，運(yùn)移過(guò)程中隨著壓力和溫度的降低，當(dāng)井筒溫度低于流體臨界溫度時(shí)，流體先轉(zhuǎn)變到液態(tài)，繼續(xù)運(yùn)移當(dāng)井筒壓力低于流體臨界壓力時(shí)，流體再?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。
2 氣體膨脹特征計(jì)算模型
由實(shí)際氣體狀態(tài)方程，可得鉆井液溢流井筒環(huán)空氣體體積計(jì)算公式：
 
式中：V(zi)為求解點(diǎn)氣體體積；p(zi)為求解點(diǎn)壓力；T(zi)為求解點(diǎn)溫度；Z(zi)為求解點(diǎn)偏差因子；p(z0)為已知點(diǎn)壓力(井底)；T(z0)為已知點(diǎn)溫度(井底)；V(z0)為已知點(diǎn)氣體體積(井底)；Z(z0)為已知點(diǎn)偏差因子(井底)。
3 計(jì)算實(shí)例
    普光氣田上二疊統(tǒng)長(zhǎng)興組產(chǎn)層，某氣井井深5600m，井底溫度130℃，井口溫度60℃，鉆井液密度1.46g/cm3?；旌蠚怏w組分：硫化氫15%，二氧化碳10%，甲烷74.89%，乙烷0.11%。
    由式(1)～(6)，計(jì)算混合氣體組分的臨界參數(shù)得，臨界壓力7.83MPa、臨界溫度-43℃。氣侵井筒流體參數(shù)變化見(jiàn)圖4，井筒溫度和壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線遠(yuǎn)離混合流體的臨界點(diǎn)，氣侵流體在井筒運(yùn)移過(guò)程中，密度逐漸減小，由超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)換到氣態(tài)，相態(tài)變化遠(yuǎn)離流體臨界點(diǎn)，不具備臨界點(diǎn)附近流體物性發(fā)生急劇變化的條件，從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)體積會(huì)有所膨脹，但不會(huì)出現(xiàn)劇烈膨脹的現(xiàn)象。

    根據(jù)環(huán)空氣體體積計(jì)算公式(6)，計(jì)算沿環(huán)空流體相關(guān)參數(shù)變化如圖5，隨著流體從井筒向上運(yùn)移，井底偏差因子與井筒某點(diǎn)偏差因子的比值以及井底溫度與井筒某點(diǎn)溫度的比值逐漸減小，但減小的幅度不大。然而壓力比值變化的趨勢(shì)線比較明顯，在深井段，壓力比值變化很小，而在靠近地面的較淺井段壓力比值經(jīng)過(guò)短暫的過(guò)度后明顯增加。在井筒1200～7000m，壓力比值變化不大，壓力比值對(duì)流體體積的膨脹不起主要作用；而在接近地面的幾百米范圍內(nèi)，壓力比值會(huì)有幾倍直接變化到幾十倍，這期間壓力比值對(duì)體積的膨脹起很重要作用。

    從普光氣井氣侵流體體積膨脹倍數(shù)曲線可以看出，流體在井筒運(yùn)移過(guò)程中，混合物從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，密度逐漸減小，體積膨脹，運(yùn)移至距地面12%(即1200m)井深時(shí)，有體積膨脹趨勢(shì)，運(yùn)移至距地面10%(即560m)井深時(shí)有較明顯的膨脹特征。但流體在井筒運(yùn)移過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)在超臨界點(diǎn)附近處特有的瞬時(shí)體積劇烈膨脹幾百幾千倍的現(xiàn)象。
4 結(jié)論
    1) 高含硫氣井，H2S/CO2組分不同井筒相態(tài)變化不同，存在SCF變到氣態(tài)和SCF先變到液態(tài)再?gòu)囊簯B(tài)變化到氣態(tài)兩種情況，前者當(dāng)井筒溫度壓力條件不滿足臨界點(diǎn)附近時(shí)不會(huì)發(fā)生體積劇變，而后者不存在流體臨界點(diǎn)附近體積劇變情況。
    2) 高含硫氣體在溢流壓井期間，在井筒較長(zhǎng)井段處于超臨界狀態(tài)，遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)附近區(qū)域，不會(huì)出現(xiàn)在超臨界點(diǎn)附近處特有的瞬時(shí)體積劇烈膨脹幾百幾千倍的現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際氣體的狀態(tài)方程，從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)體積會(huì)有所膨脹，但不會(huì)出現(xiàn)劇烈膨脹現(xiàn)象。
    3) 普光氣田氣井，酸性氣體運(yùn)移至距地面12%(即1200m)井深時(shí)，有體積膨脹趨勢(shì)，運(yùn)移至距地面10%(即560m)井深時(shí)有較明顯的膨脹特征。
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(本文作者：高云叢1，2 李相方1 孫曉峰2 尹邦堂2 崔松2 1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油與天然氣工程學(xué)院；2.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術(shù)研究中心)